Un intercambiador de calor de carcasa y tubos es una clase de diseños de intercambiadores de calor . [1] [2] Es el tipo más común de intercambiador de calor en refinerías de petróleo y otros procesos químicos grandes, y es adecuado para aplicaciones de mayor presión. Como su nombre lo indica, este tipo de intercambiador de calor consta de una carcasa (un gran recipiente a presión ) con un haz de tubos en su interior. Un fluido corre a través de los tubos y otro fluido fluye sobre los tubos (a través de la carcasa) para transferir calor entre los dos fluidos. El conjunto de tubos se denomina haz tubular, y puede estar compuesto por varios tipos de tubos: lisos, con aletas longitudinales, etc.
Por el intercambiador de calor fluyen dos fluidos, de diferentes temperaturas iniciales. Uno fluye a través de los tubos (el lado del tubo) y el otro fluye fuera de los tubos pero dentro de la carcasa (el lado de la carcasa). El calor se transfiere de un fluido a otro a través de las paredes del tubo, ya sea del lado del tubo al lado de la carcasa o viceversa. Los fluidos pueden ser líquidos o gases en el lado de la carcasa o del tubo. Para transferir calor de manera eficiente, se debe utilizar una gran área de transferencia de calor , lo que lleva al uso de muchos tubos. De esta manera se puede aprovechar el calor residual . Esta es una manera eficiente de conservar energía.
Los intercambiadores de calor con una sola fase (líquido o gas) en cada lado pueden denominarse intercambiadores de calor monofásicos o monofásicos. Los intercambiadores de calor de dos fases se pueden usar para calentar un líquido y convertirlo en gas (vapor), a veces llamados calderas , o para enfriar los vapores y condensarlos en un líquido (llamados condensadores ), y el cambio de fase generalmente ocurre en el lado de la concha. Las calderas de las locomotoras de vapor suelen ser intercambiadores de calor de carcasa y tubos grandes, generalmente de forma cilíndrica. En las grandes centrales eléctricas con turbinas impulsadas por vapor , se utilizan condensadores de superficie de carcasa y tubos para condensar el vapor de escape que sale de la turbina en agua condensada que se recicla nuevamente para convertirse en vapor en el generador de vapor.
También se utilizan en enfriadores enfriados por líquido para transferir calor entre el refrigerante y el agua tanto en el evaporador como en el condensador , y en enfriadores enfriados por aire solo para el evaporador.
Puede haber muchas variaciones en el diseño de carcasa y tubo. Normalmente, los extremos de cada tubo están conectados a cámaras impelentes (a veces llamadas cajas de agua ) a través de orificios en las placas de tubos. Los tubos pueden ser rectos o doblados en forma de U, llamados tubos en U.
En las centrales nucleares llamadas reactores de agua a presión , los grandes intercambiadores de calor llamados generadores de vapor son intercambiadores de calor de carcasa y tubos de dos fases que normalmente tienen tubos en U. Se utilizan para hervir agua reciclada de un condensador de superficie y convertirla en vapor para impulsar una turbina y producir energía. La mayoría de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos tienen diseños de 1, 2 o 4 pasos en el lado del tubo. Esto se refiere al número de veces que el fluido de los tubos pasa a través del fluido de la carcasa. En un intercambiador de calor de un solo paso, el fluido entra por un extremo de cada tubo y sale por el otro.
Los condensadores de superficie en las centrales eléctricas suelen ser intercambiadores de calor de tubo recto de 1 paso (consulte el diagrama del condensador de superficie ). Los diseños de dos y cuatro pasos son comunes porque el fluido puede entrar y salir por el mismo lado. Esto hace que la construcción sea mucho más sencilla.
A menudo hay deflectores que dirigen el flujo a través del lado de la carcasa para que el fluido no tome un atajo a través del lado de la carcasa dejando volúmenes de flujo bajos ineficaces. Estos generalmente están unidos al haz de tubos en lugar de a la carcasa para que el haz aún pueda retirarse para su mantenimiento.
Los intercambiadores de calor a contracorriente son más eficientes porque permiten la diferencia de temperatura media logarítmica más alta entre las corrientes fría y caliente. Sin embargo, muchas empresas no utilizan intercambiadores de calor de dos pasos con tubo en U porque pueden romperse fácilmente además de ser más costosos de construir. A menudo se pueden utilizar varios intercambiadores de calor para simular el flujo en contracorriente de un único intercambiador grande.
Para poder transferir bien el calor, el material del tubo debe tener una buena conductividad térmica . Debido a que el calor se transfiere del lado caliente al frío a través de los tubos, existe una diferencia de temperatura a lo largo del ancho de los tubos. Debido a la tendencia del material del tubo a expandirse térmicamente de manera diferente a distintas temperaturas, se producen tensiones térmicas durante el funcionamiento. Esto se suma a cualquier estrés causado por las altas presiones de los propios fluidos. El material del tubo también debe ser compatible con los fluidos del lado de la carcasa y del tubo durante períodos prolongados bajo las condiciones de operación ( temperaturas , presiones, pH , etc.) para minimizar el deterioro como la corrosión . Todos estos requisitos exigen una selección cuidadosa de materiales de tubo fuertes, térmicamente conductores, resistentes a la corrosión y de alta calidad, generalmente metales , incluidos aluminio , aleaciones de cobre , acero inoxidable , acero al carbono , aleaciones de cobre no ferrosos , Inconel , níquel y Hastelloy. y titanio . [3] También se utilizan fluoropolímeros como el perfluoroalcoxi alcano (PFA) y el etileno propileno fluorado (FEP) para producir el material de la tubería debido a su alta resistencia a temperaturas extremas. [4] Una mala elección del material del tubo podría provocar una fuga a través de un tubo entre los lados de la carcasa y el tubo, lo que provocaría contaminación cruzada del fluido y posiblemente pérdida de presión.
El diseño simple de un intercambiador de calor de carcasa y tubos lo convierte en una solución de enfriamiento ideal para una amplia variedad de aplicaciones. Una de las aplicaciones más comunes es la refrigeración de fluidos hidráulicos y aceite en motores, transmisiones y unidades de potencia hidráulica. Con la elección adecuada de los materiales, también se pueden utilizar para enfriar o calentar otros medios, como el agua de una piscina o el aire de carga. [5] La tecnología de carcasa y tubos tiene muchas ventajas sobre las placas.
En los intercambiadores de calor de carcasa y tubos existe la posibilidad de que un tubo se rompa y de que el fluido de alta presión (HP) entre y sobrepresurice el lado de baja presión (LP) del intercambiador de calor. [7] La configuración habitual de los intercambiadores es que el fluido HP esté en los tubos y que el agua LP, el medio de enfriamiento o calentamiento esté en el lado de la carcasa. Existe el riesgo de que la rotura de un tubo pueda comprometer la integridad de la carcasa y liberar gas o líquido inflamable, con riesgo para las personas y pérdidas económicas. La carcasa de un intercambiador debe protegerse contra la sobrepresión mediante discos de ruptura o válvulas de alivio. Se ha descubierto que el tiempo de apertura de los dispositivos de protección es crítico para la protección del intercambiador. [8] Estos dispositivos se instalan directamente en la carcasa del intercambiador y descargan en un sistema de alivio.
Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos son componentes integrales en la ingeniería térmica y se utilizan principalmente para una transferencia de calor eficiente. El diseño y disposición de los tubos dentro de estos intercambiadores son fundamentales para su funcionamiento y eficacia. [9] El diseño preciso y la especificación de los tubos en los intercambiadores de calor de carcasa y tubos subrayan las complejidades de la ingeniería térmica . Cada aspecto del diseño, desde la selección del material hasta la disposición de los tubos y el flujo de fluido , juega un papel vital en el rendimiento del intercambiador, mostrando las complejidades y la precisión requeridas en este campo. [9]
Los tubos de estos intercambiadores, a menudo denominados tubos de condensador , son distintos de los tubos de agua típicos. Cumplen el estándar Birmingham Wire Gage (BWG), que dicta dimensiones específicas, como el diámetro exterior . Por ejemplo, un tubo de 1 pulgada según BWG tendrá un diámetro exterior exacto de 1 pulgada. [10] Las especificaciones detalladas están disponibles en referencias especializadas.
Los tubos están hechos de una variedad de materiales, cada uno elegido en función de los requisitos específicos del sistema, incluida la conductividad térmica , la resistencia y la resistencia a la corrosión . [9]
La disposición de los tubos es un aspecto de diseño crucial. Se colocan en orificios perforados en placas de tubos, siendo el espacio entre orificios (conocido como paso de tubo) un factor clave tanto para la integridad estructural como para la eficiencia. [9] Los tubos generalmente se organizan en patrones cuadrados o triangulares , y los diseños específicos se detallan en las referencias de ingeniería.
El recuento de tubos se refiere al número máximo de tubos que pueden caber dentro de una carcasa de un diámetro específico sin debilitar la placa del tubo. [9] Este aspecto es crucial para garantizar la integridad estructural y la eficiencia del intercambiador de calor. En la literatura especializada se puede encontrar información sobre el número de tubos para distintos tamaños de cotilo.
En los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, hay dos corrientes de fluido distintas para la transferencia de calor . El fluido de los tubos circula dentro de los tubos, mientras que el fluido de la coraza fluye alrededor de ellos, guiado por deflectores . El movimiento del fluido de la carcasa, ya sea de lado a lado o de arriba a abajo, y el número de pasos que realiza sobre los tubos, están controlados por deflectores segmentarios, esenciales para maximizar la eficiencia de la transferencia de calor . [9] Estos aspectos se desarrollan en referencias específicas.
